基于ATP-EMTP的電力機(jī)車過分相暫態(tài)過程研究

謝曲天 盛義發(fā) 李永勝 張楷翼 范 波

（南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

電力機(jī)車通過錨段關(guān)節(jié)式分相區(qū)的過程中，其等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，加之電路中有大量的儲(chǔ)能元件，將會(huì)形成暫態(tài)過電壓，從而擊穿機(jī)車放電間隙，嚴(yán)重影響電力機(jī)車的安全運(yùn)行。因此，電力機(jī)車過電分相暫態(tài)過程的問題是學(xué)者與工程技術(shù)人員一直研究的熱點(diǎn)之一。但是大多都是從理論上分析暫態(tài)過程，研究的電路模型也通過理想簡(jiǎn)化的[1-2]。基于此，本文在分析電力機(jī)車過分相過程的數(shù)學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上，將錨段關(guān)節(jié)式過分相分成過渡區(qū)和無電區(qū)兩部分建模，基于ATP-EMTP 仿真分析電力機(jī)車過分相過程的暫態(tài)過程，采用RC 保護(hù)裝置抑制暫態(tài)，以達(dá)到消除或減小電力機(jī)車過分相暫態(tài)過程的目的。

1 電力機(jī)車過分相的過程機(jī)理

1.1 電力機(jī)車分相區(qū)暫態(tài)過程界定

電力機(jī)車過分相時(shí)，受電弓與接觸線、中性線頻繁的接觸和分離，電力機(jī)車和牽引網(wǎng)形成的等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不斷發(fā)生變化，當(dāng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從一種形式變換為另一種形式時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)過程。電力機(jī)車高速運(yùn)行平滑通過分相區(qū)時(shí)采用錨段關(guān)節(jié)式車載斷電自動(dòng)過分相，其七跨度錨段關(guān)節(jié)式過分相如圖1所示[3]。

圖1 七跨度錨段關(guān)節(jié)式過分相

電力機(jī)車在即將進(jìn)入分相區(qū)時(shí)，機(jī)車主電路斷電。電力機(jī)車只有受電弓、高壓互感器和車頂高壓引線與牽引網(wǎng)連接。在整個(gè)通過分相區(qū)過程中將經(jīng)歷4 個(gè)暫態(tài)過程[4]。

1）當(dāng)機(jī)車運(yùn)行到b 處時(shí)，此時(shí)中性線與供電臂α 相距的距離小于受電弓的寬度。受電弓開始同時(shí)與中性線和供電臂α 接觸。在受電弓剛剛接觸中性線的瞬間，等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化將經(jīng)歷第一次暫態(tài)過程。

2）當(dāng)機(jī)車到達(dá)c 處時(shí)，此時(shí)受電弓間與供電臂α 分離，等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)再次發(fā)生變化，進(jìn)入第二次暫態(tài)過程。

3）當(dāng)機(jī)車到達(dá)f 處時(shí)，受電弓將又同時(shí)接觸中性線和供電臂β，等效電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出線第三次暫態(tài)過程。

4）當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行到g 出時(shí)，受電弓與中性線分離只與供電臂β 接觸，運(yùn)行到h 處后出分相區(qū)合上機(jī)車主電路，機(jī)車在供電臂β 上運(yùn)行。

電力機(jī)車在過程1）和過程3）中運(yùn)行時(shí)，其暫態(tài)過程的性質(zhì)相同可等效為空載合閘過電壓過程。同樣在過程2）和過程4）中運(yùn)行時(shí)的性質(zhì)相同，可以放在一起分析研究。

1.2 電力機(jī)車過分相暫態(tài)過電壓理論分析

電力機(jī)車在進(jìn)入過分相前，分相區(qū)與供電臂之間是沒有電氣上的連接的。但是由于供電臂與分相區(qū)相距很近，分相區(qū)上將會(huì)有感應(yīng)電壓的產(chǎn)生。可根據(jù)基爾霍夫定理，列出節(jié)點(diǎn)電壓方程如下[5-7]：

求解可得

式中，Un為中性線上的電壓。電力機(jī)車進(jìn)入電分相等效為RLC 串聯(lián)電路根據(jù)基爾霍夫定律可得

根據(jù)電感，電容特性可列出電力機(jī)車進(jìn)入過分相時(shí)的方程如式（1）至式（3）所示。

零輸入響應(yīng)：

零狀態(tài)響應(yīng)：

將式（4）求導(dǎo)求最大值，得出不同相角時(shí)的中性線上過電壓的最大值與如圖2所示。

圖2 合閘相角與中性線過電壓的關(guān)系曲線

從圖2可以看出，電力機(jī)車進(jìn)入分相區(qū)時(shí)，當(dāng)電源的相角在110°或者290°附近時(shí)中性線上的過電壓最小；然而，當(dāng)電源電壓的相角在10°或者190°附近時(shí)，中性線上的過電壓最大。

2 基于ATP-EMTP 的電力機(jī)車過分相暫態(tài)過程仿真

2.1 系統(tǒng)建模

牽引網(wǎng)導(dǎo)線：承力索型號(hào)JTMH120，接觸線型號(hào)CTMH150，鋼軌型號(hào)P60。接觸導(dǎo)線距軌頂高度6000mm，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度1300mm，承力索弛度600mm。根據(jù)電力機(jī)車過分相的特點(diǎn)建立電力機(jī)車過分相區(qū)的模型，其中包括以下部分：①牽引網(wǎng)供電臂；②過分相過渡區(qū)；③過分相無電區(qū)；④電力機(jī)車。等效電路模型如圖3所示。

圖3 分相區(qū)等效電路

根據(jù)Carson 導(dǎo)線—地回線理論[5-6]求牽引網(wǎng)供電臂，過分相過渡區(qū)和過分相無電區(qū)的等效阻抗；根據(jù)對(duì)地電容和并聯(lián)線路的電容公式求各段的電容。Rs，Ls分別表示牽引變壓器歸算到低壓側(cè)的等值電阻和電感；RT1，RT2，LT1，LT2表示供電臂α，β 與過分相的中性線過渡區(qū)的等值電阻和電感；Rn，Ln表示過分相中性線無電區(qū)的等值電阻和電感。CT1=CT2表示過分相中性線無電區(qū)的等值電阻和電感。CEN表示中性線與供電臂過渡區(qū)的等值對(duì)地電容；CN表示中性線無電區(qū)的對(duì)地電容。由于電力機(jī)車主電路斷開，只有高壓電壓互感器和高壓導(dǎo)線通過受電弓與牽引網(wǎng)相連，所以電力機(jī)車模型等效成R、L和C的混聯(lián)電路。

2.2 仿真分析

分相區(qū)空載時(shí)，由于供電臂與中性線相距很近，在兩導(dǎo)線之間存在線間電容，所以在分相區(qū)中性線上將存在感應(yīng)電壓。通過ATP-EMTP[7-8]仿真研究可知中性線上的感應(yīng)電壓為12.15kV 與計(jì)算結(jié)果相差不大。

電力機(jī)車進(jìn)入分相區(qū)，受電弓與分相區(qū)中性線和供電臂α同時(shí)接觸時(shí)，暫態(tài)過程可以看成操作過電壓和諧振過電壓的共同作用。與電力機(jī)車進(jìn)入分相區(qū)性質(zhì)相同的是電力機(jī)車從無電段駛出時(shí)，此時(shí)可看成受電弓與分相區(qū)中性線和供電臂β 同時(shí)接觸，暫態(tài)過程與電力機(jī)車進(jìn)入分相區(qū)的過程相同。如圖4所示電力機(jī)車在牽引網(wǎng)電源相角為10°進(jìn)入過分相時(shí)的中性線暫態(tài)過電壓波形。

圖4 機(jī)車進(jìn)入分相區(qū)的中性線過電壓

電力機(jī)車進(jìn)入分相區(qū)的無電段和電力機(jī)車離開分相區(qū)的過程性質(zhì)相同，以電力機(jī)車進(jìn)入分相區(qū)無電區(qū)為例，電力機(jī)車受電弓和供電臂分離，此時(shí)受電弓也沒有接觸到另一供電臂上，所以電力機(jī)車進(jìn)入了一個(gè)無電惰行的狀態(tài)。如圖5所示電力機(jī)車進(jìn)入無電段的中性線上的電壓波形。

圖5 機(jī)車受電弓脫離供電臂的中性線電壓

從圖4和圖5可以看出在電力機(jī)車通過過分相過程中在進(jìn)入過分相時(shí)存在操作過電壓和諧振過電壓，在電力機(jī)車脫離供電臂時(shí)存在諧振，如果受電弓有拉弧時(shí)可能造成二次重合閘那么諧振可能帶來更加嚴(yán)重的后果。

3 暫態(tài)過程的抑制措施

從以上的仿真過程中可以出，電力機(jī)車通過分相區(qū)時(shí)的暫態(tài)過程主要由操作過電壓和鐵磁諧振過電壓組成，RC 保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)中最常用的一種抑制暫態(tài)過程的方法。將RC 保護(hù)裝置并聯(lián)在線路中，裝置中的電容可以補(bǔ)償原系統(tǒng)中的鐵磁諧振，電阻則能增加線路中的阻尼，使得暫態(tài)過程能更快的衰減。圖6反映的是以電源電壓相角為10°時(shí)，電力機(jī)車進(jìn)入電分相為例，在中性線上并聯(lián)電阻為200Ω，電容為0.5 μF 的RC 保護(hù)裝置時(shí)的中性線電壓波形。

圖6 安裝有RC 保護(hù)裝置的中性線電壓

對(duì)比圖4和圖6可以明顯發(fā)現(xiàn)中性線上的操作過電壓和鐵磁諧振過電壓明顯降低，在圖4中中性線過電壓最大值值達(dá)到額定電壓值的2.14 倍，而如圖6在中性線上加裝RC 保護(hù)裝置后，其中性線過電壓的最大值只有額定電壓的1.2 倍。綜上分析，RC 保護(hù)裝置對(duì)于消除電力機(jī)車過分相的暫態(tài)過程具有一定的作用。

4 結(jié)論

本文以七跨度錨段關(guān)節(jié)式過分相為研究對(duì)象，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出過分相的相角與過電壓的關(guān)系。并運(yùn)用ATP-EMTP 電磁暫態(tài)分析軟件對(duì)電力機(jī)車過分相的過程進(jìn)行仿真研究。得出以下結(jié)論：

1）電力機(jī)車過分相時(shí)，機(jī)車與供電臂與中性線接觸時(shí)，電源的相角決定了暫態(tài)過程的大小，所以進(jìn)入分相區(qū)的相角對(duì)于機(jī)車過分相很重要。

2）電力機(jī)車過分相過程的暫態(tài)過程集中在機(jī)車與中性線和供電臂同時(shí)接觸時(shí)的瞬間。有比較明顯的諧振過電壓和操作過電壓。

3）ATP-EMTP 仿真分析比較直觀的得出電力機(jī)車過分相過程中的暫態(tài)過程的情況。RC 保護(hù)裝置通過仿真可知對(duì)于抑制電力機(jī)車過分相的暫態(tài)過程有比較明顯的效果。

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